Le nitrate, produit de la fin de chaîne de réaction des oxydes d’azotes de l’atmosphère (NOx = NO +NO2), est l’un des ions le plus abondant de la neige et de la glace polaire. Ses rapports isotopiques stables (δ18O, δ15N et Δ17O) ont été abondamment utilisés pour contraindre ses sources et les chemins réactionnels. De plus, le nitrate archivé dans les carottes de glace profondes peut apporter de nouvelles contraintes sur les conditions climatiques passées. Cependant, le dépôt de nitrate dans les régions polaires à faible accumulation est réversible en raison des processus post-dépôts, compliquant l’interprétation des enregistrements. Actuellement, il existe des enregistrements de nitrate issus de carottes de glace profonds couvrant de l’information climatique sur plusieurs milliers d’années dont leur interprétation dépend d’une quantification précise ces phénomènes post-dépôts. Nous avons étudié expérimentalement le transfert d’excès-17O de l’ozone durant la réaction en phase gaz de NO2 + O3 NO3 + O2, qui est une réaction importante de la chimie nocturne de formation du nitrate. De cette étude nous avons déterminé la fonction de transfert du 17O donnée par : ∆17O(O3*) = (1.23 ± 0.19) × ∆17O(O3)bulk + (9.02 ± 0.99). Nous avons aussi évalué la distribution intramoléculaire des isotopes de l’oxygène de l’ozone et observé que l’excès d’enrichissement résidait de manière prépondérante sur les atomes terminaux de l’ozone. Ces résultats auront une implication importante sur la compréhension de la formation du nitrate via les mécanismes d’oxydation des précurseurs NOx. L’impact de la photolyse sur les concentrations et les compositions isotopiques stables du nitrate est étudié dans ce travail de thèse sur la base d’étude de laboratoire et de terrain. Une étude de laboratoire a été conduite en irradiant de la neige naturelle de Dôme C avec une lampe UV à xénon et en utilisant différents filtres UV (280 nm, 305 nm et 320 nm). Sur la base des mesures des rapports isotopiques de l’oxygène et de l’azote, la dépendance aux longueurs d’onde des fractionnements isotopiques a été déterminée. En conséquence, en présence de lumière UV de haute énergie, le fractionnement isotopique est décalé vers des valeurs moins négatives et vice versa. Sur la base des fractionnements isotopiques obtenus en laboratoire, nous avons dérivé un décalage apparent de la valeur du zéro point d’énergie (ZPE) qui apporte une meilleure contrainte sur la section efficace d’absorption du 15NO3-. Ce décalage apparent est obtenu en minimisant les écarts entre les observations et les fractionnements isotopiques calculés basés sur un modèle de décalage ZPE, modèle qui inclut outre le décalage ZPE, le changement des largeurs, de l’asymétrie et de l’amplitude des sections efficaces d’absorption lors de la substitution isotopique. Nous avons validé le nouveau ZPE apparent en conduisant une étude de terrain à Dôme C, Antarctique. Dans cette étude, un dispositif expérimental a été construit sur le site et l’effet du rayonnement solaire UV sur la photolyse du nitrate de la neige investigué. Cette étude était basée sur la comparaison de deux puits remplis par de la neige soufflée homogénéisée dont l’un des deux puits n’était pas soumis aux rayonnements UV. Le fractionnement isotopique de 15N pour la neige exposée aux UV (-67.9 ± 12 ‰) est en bon accord avec le modèle de décalage ZPE estimé au cours de ce travail de thèse (-55.4 ‰). Ces valeurs sont aussi dans la gamme des fractionnements isotopiques apparents observée précédemment au Dôme C. Nous pensons que l’inclusion des ces nouvelles connaissances dans un modèle prédisant l’enrichissement du 15N dans les carottes de glace permettra une interprétation quantitative de l’information préservée dans la glace. / Nitrate, the end product of oxidation of atmospheric NOX (= NO + NO2), is one of the most abundant anions present in polar snow and ice. Its stable isotope ratios (δ18O, δ15N and Δ17O) have been widely used to constrain its sources and oxidation pathways. In addition, the nitrate archived in deep ice cores may be an important metric to constrain past climatic conditions. However, deposition of nitrate in polar regions with low snow accumulation is reversible due to post-depositional processes, and interpretation of this record is complicated. Currently, there exist deep ice core records of nitrate encompassing climatic information of millennial time scales, and their interpretation relies on careful quantification of post-depositional effects. We have experimentally studied the 17O-excess transfer from ozone during the gas phase NO2 + O3 → NO3 + O2 reaction, which is an important nighttime nitrate formation pathway. From this study, we have determined the ∆17O transfer function given by: ∆17O(O3*) = (1.23 ± 0.19) × ∆17O(O3)bulk + (9.02 ± 0.99). We have also evaluated the intramolecular oxygen isotope distribution of ozone and have observed the excess enrichment resides predominantly on the terminal oxygen atoms of ozone. The findings from this study will have an important implication for understanding nitrate formation pathways via different NOX oxidation mechanisms. The impact of photolysis on the amount and stable isotope enrichments of nitrate is investigated in this PhD study based on laboratory and field experiments. A laboratory study was conducted by irradiating a natural snow from Dome C with a Xe UV lamp and a selection of UV-filters (280 nm, 305 nm and 320 nm). Based on the oxygen and nitrogen isotope ratio measurements, wavelength dependent isotopic fractionations were determined. Accordingly, in the presence of high-energy UV light, isotopic fractionation is shifted towards less negative values and the reverse for lower energy UV photons. Based the isotopic fractionations obtained in the laboratory study, we derived an apparent ZPE-shift value, which better constrains the absorption cross-section of 15NO3-. This apparent shift is derived from the best fit between the experimental observations and calculated fractionations based on existing ZPE-shift model and it includes actual ZPE-shift and changes in width, asymmetry and amplitude in absorption cross-section during isotopic substitution. We have validated the newly derived apparent ZPE-shift by conducting a field study at Dome C, Antarctica. In this study, an experimental setup was built on-site and the effect of solar UV photolysis on snow nitrate was investigated. This study was based on a comparison of two snow pits filled with locally drifted snow and by allowing/blocking the solar UV. The 15N fractionation for the UV exposed samples (-67.9 ± 12 ‰) was in fairly good agreement with the ZPE-shift model estimate from this study (-55.4 ‰). These values are also within the range of apparent isotopic fractionation observed at Dome C in previous studies. Further calculations to better constrain the absorption cross-section of 15NO3- with the ZPE-shift are underway, and we propose that the newly derived apparent ZPE-shift value should be used in future studies. We believe that incorporating these new findings in models predicting the enrichments of 15N nitrate in ice cores will allow a quantitative interpretation of the information preserved in ice.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2013GRENU018 |
| Date | 04 September 2013 |
| Creators | Berhanu, Tesfaye |
| Contributors | Grenoble, Savarino, Joël |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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